慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）Cordt Zollfrank教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與羅馬大學(xué)的物理學(xué)家一起合作，在施特勞賓科學(xué)中心基于纖維素紙制造了第一個(gè)可控的隨機(jī)激光器。基于此，該團(tuán)隊(duì)展示了自然產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是如何可以適用于技術(shù)應(yīng)用的。因此，不再需要將材料人工制備成無(wú)序結(jié)構(gòu)，而是利用天然材料來(lái)替代。
仿生材料合成是慕尼黑工業(yè)大學(xué)施特勞賓科學(xué)中心生物源聚合物委員會(huì)的研究領(lǐng)域之一。它利用自然和生物材料的模板來(lái)開發(fā)新的材料和技術(shù)。最新一期的《先進(jìn)光學(xué)材料》出版物中介紹了一項(xiàng)由施特勞賓科學(xué)中心和羅馬大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成的基礎(chǔ)研究，據(jù)科學(xué)家Daniel Van Opdenbosch博士介紹，他們成功地“將一種生物結(jié)構(gòu)用作了技術(shù)性隨機(jī)激光器的模板”。
該團(tuán)隊(duì)使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室濾紙作為一個(gè)結(jié)構(gòu)模板，因?yàn)槠渚哂虚L(zhǎng)纖維和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
有兩個(gè)組件是激光器必不可少的：首先，需要有進(jìn)行光放大的增益介質(zhì)。其次，需要有一個(gè)將光保持在介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)。經(jīng)典的激光器使用鏡子來(lái)引導(dǎo)光并使光在一個(gè)單一的方向上以一種定向和均勻的方式傳播。這也均勻地發(fā)生在一個(gè)隨機(jī)激光器的顯微結(jié)構(gòu)里，但是是在不同的方向上。雖然隨機(jī)激光器的發(fā)展仍處于起步階段，但在未來(lái)，它可能會(huì)帶來(lái)更低成本的生產(chǎn)。這是因?yàn)殡S機(jī)激光器具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如它們具有方向獨(dú)立性并具有多種顏色，這里只列出了幾個(gè)好處。
無(wú)序結(jié)構(gòu)會(huì)偏折各個(gè)方向的光
“隨機(jī)激光器的前提是具有一個(gè)確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)混亂度，”Van Opdenbosch解釋說(shuō)。因此，隨機(jī)激光器內(nèi)的光會(huì)沿著所有的角度和隨機(jī)路徑進(jìn)行散射，這是由介質(zhì)內(nèi)部一個(gè)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)決定的。這個(gè)由施特勞賓科學(xué)中心生物源聚合物委員會(huì)的Zollfrank教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室濾紙作為結(jié)構(gòu)模板。“由于其長(zhǎng)纖維和由此產(chǎn)生的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為其非常適合這一目的，”Van Opdenbosch說(shuō)。
在實(shí)驗(yàn)室中，這些濾紙被用一種有機(jī)金屬化合物正鈦酸四乙酯進(jìn)行了浸透。當(dāng)它被干燥并將纖維素在500攝氏度下燒掉以后，它留下了陶瓷鈦白粉作為殘?jiān)?mdash;—與通常用在防曬霜里面防止曬傷的物質(zhì)是一樣的。“防曬霜中的這種效應(yīng)是基于二氧化鈦強(qiáng)烈的光散射效應(yīng)，”Van Opdenbosch說(shuō)，“我們也將這種效應(yīng)應(yīng)用在了我們的隨機(jī)激光器上。”“我們的激光器”之所以是“隨機(jī)的”是因?yàn)橛捎趯?shí)驗(yàn)室濾紙的生物結(jié)構(gòu)而在不同的方向上散射的光也可以在相反的方向上進(jìn)行散射，”他補(bǔ)充解釋了其原理。
隨機(jī)激光畢竟不是完全隨機(jī)的
盡管具有隨機(jī)的本質(zhì)，但是該光波還是可以被控制的，就像由羅馬大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)研究所的Claudio Conti為首的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的那樣，Daniel Van Opdenbosch和Cordt Zollfrank就是與他們一起合作。在光譜儀的幫助下，他們能夠區(qū)分出在材料中產(chǎn)生的不同的激光波長(zhǎng)，并逐個(gè)將它們分別定位出來(lái)。
Van Opdenbosch描述了這個(gè)過程：“用來(lái)繪制樣品地圖的測(cè)試裝置由一個(gè)能量可以調(diào)節(jié)的綠色激光器，顯微鏡鏡頭，以及一個(gè)可以使樣品移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)組成。這樣，我們的同事就能夠確定出在不同的能量水平和材料的不同區(qū)域所輻射出的不同的激光波。”在這個(gè)分析的光里面，以任何數(shù)目的路徑來(lái)配置激光器并確定其輻射的方向和強(qiáng)度是可能的。
這些知識(shí)使得一些潛在的實(shí)際應(yīng)用變得現(xiàn)實(shí)起來(lái)。“例如，這種材料可以被用做微開關(guān)或探測(cè)結(jié)構(gòu)變化的探測(cè)器，”Van Opdenbosch說(shuō)。
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